1. 电子发烧友网（ｗｗｗ．ｅｌｅｃｆａｎｓ．ｃｏｍ）主办 ＥＭＣ电磁兼容技术研讨会
雷电与浪涌防护
及EMC设计
EMC设计
陶显芳
2011.10.22
1

2. 内容概要
1.雷电认识初步
1.雷电认识初步
2.雷电与浪涌电压的产生
2.雷电与浪涌电压的产生
3.雷电与浪涌电压的防护
3.雷电与浪涌电压的防护
4.电子线路中的电磁干扰
4.电子线路中的电磁干扰
5.传导干扰测量与对策
5.传导干扰测量与对策
6.EMI辐射测量原理
6.EMI辐射测量原理
7.EMC电路设计
7.EMC电路设计
8.ESD
ESD与浪涌电压防护
8.ESD与浪涌电压防护
2

3. 概述
目前，电子产品在出厂之前一般都需要经过安全认证和EMC认证，只有符合标
准的电子产品才能投放市场。安全认证与电磁兼容性认证虽然在本质上有所不
全同，但均属于强制性认证性质，均需要第三方做认证，由权威认证机构发证
书和认证号。我国已于2001年12月把安全认证和电磁兼容性认证统一称为3C认
证，认证机构是国家监督检验检疫总局和国家认证认可监督管理委员会。
认证机构是国家监督检验检疫总局和国家认证认可监督管理委员会。
对电子产品进行EMC认证的目的，是为了防止一些电子产品产生的电磁干扰（
EMI）的影响或破坏其它电子设备的正常工作。因此，各国政府或一些国际组
织都相继提出或制定了一些对电子产品产生电磁干扰有关规章或标准，符合这
些规章或标准的产品就可称为具有电磁兼容性，简称：EMC（Electromagnetic
Compatibility）。
由于科学技术的不断进步，新产品不断诞生，电子产品的技术性能也在不断提
高，消费者对安全与电磁兼容性的要求在不断提高，原来很多没有归入强制认
证范围的项目，现在也逐步要求要进行认证。因此，电磁兼容性标准不是恒定
不变的，而是天天都在改变，并且新标准还是各国政府或经济组织，保护自己
利益经常采取的手段。
3

4. 1.雷电的产生
迪拜塔遭雷击
4

5. 山林遭雷击
5

6. 一辆客车遭雷击
6

7. 一架哥伦比亚飞机遭雷击
7

8. 雷电危害举例
ESD（Electro Static Discharge）称为静电放电，雷电也属于静电放电，
因此雷电也属于ESD。
地球每一秒钟大约有100多次闪电，每次闪电产生的能量可供一个100瓦的
灯泡点亮3个月。
在雨季，平均每6分钟就有一个人被雷电击中；每年有成千上万的人因雷电
击中而丧伤。
上海电视台平均每年要遭受33次大的雷击,最近遭受雷击的时间是2010年4
月13日 ，每次雷击都会使电子设备遭受不同程度的损坏。
1992年6月22日，北京国家气象中心多台计算机接口因感应雷击被毁，损失
二仟多万元。
2011年
2011年7月23日晚，因雷电原因，杭深线D301次列车与D3115次列车发生追
23日晚，因雷电原因，杭深线D301次列车与D3115次列车发生追
尾事故，造成经济直接损失4亿多元。
尾事故，造成经济直接损失4亿多元。
每年全世界有数千万个电器设备因雷电原因被损坏，并造成数千亿元的经
济损失。
8

9. 1.1 什么是电，电是什么
我们对事物的认识基本上都是通过感性来认识的，雷电的概念在古时候人们就是通过
打雷的过程来认识的，直到今天，人们对雷电的认识还在不断深化。我们从中学的物
理书中就已经知道电子带负电，质子（原子核）带正电，但电子和质子只是带电，它
们本身都不能代表电，因为在它们周围还存在着电磁场，是电磁场支配着它们的运动，
而电磁场究竟是什么东西？现在人们还没有弄清楚。所以，电是什么？目前还没有人
能够给它下一个非常精确的定义，现在我们只能认为，电是物质运动的一种属性。
通过试验和观测，比如：物质的裂变和聚变，两块磁铁以及两个带电物体之间的互相
作用，还有地球在环绕太阳转动，现在人们已经知道，在宇宙中最少存在着四种作用
力，第一种力是核力，第二种力是磁力，第三种力是电场力，第四种力是重力。目前
人们对这四种力产生的原因，或这四种力是怎样产生的，还不清楚，因此，人们都把
这几个力的产生的原因归结为，是一种称为“场”的介质在起作用。如：磁场、电场、
重力场等。
可以认为，我们所看到的一切，都是这四种力支配着宇宙中所有物质微观运动所产生
的结果；或者说，我们所看到的一切物质形态的变化，都是物质微观运动时互相作用
所呈现出的宏观（平均值）景象，而更深层次的物质“微观”运动，我们现在主要还
是用推理的方法来解释（比如相对论），因为，目前我们还没有一种有效的方法来观
测物质的“微观”运动。概括地说，雷电和静电，都是由电、磁场的作用而产生的。
9

10. 1.2 电 场 感 应
U1
U1
- +
当某物体靠近另一带电物体时，就会被感应带电；一端带正电，而另一
端则带负电，所以感应带电也叫极化带电 。
U 2 − U1 V
电场强度 E = = 感应电压 V = E×d
d d
U1、U2 分别为感应带电体的端电位，d为感应带电体的长度，所以，
电场强度也成为电位梯度。
10

11. 1.3 电场感应原理
当带电体的极性或
电场方向改变时，
被感应的导体中就
会产生位移电流。
当导体的长度正好
等于位移电流的四
分之一波长的整数
倍时，就会产生谐
振，同时会产生很
位移电流I等于电场强度 乘以迁移率
位移电流 等于电场强度E乘以迁移率 ，即：
等于电场强度 乘以迁移率m， 强的电磁辐射。
I = E×m
×
由于感应导体中的电场强度每处都不一样，
由于感应导体中的电场强度每处都不一样，所以
导体中位移电流大小每处都不一样
位移电流大小每处都不一样。
导体中位移电流大小每处都不一样。
11

12. 1.4 地球表面的电场
在地球的周围充满着电场和磁场，这是造成很多大自然灾害的一个根源。
地球与电离层之间存在很强的
电场，电场强度大约为：
E = 100V/米
米
地球与电离层之间相当于一个
大电容器，电容量大约为1法拉。
地球表面的很多物体，都相当
于电容器中的电介质。
地球本身也是一个大电容，它到
无限远处的电容量大约为：7×10-4
法拉。
地球表面带负电，它对于无限远
处的电位（0电位）为负4×105伏。
12

13. 1.5 实验证明空间电场的存在
- -U1 - -U1
法
拉
第
罩
E E I
验
电
+U1
+
+
+
+
+
+
+
+
器
把极化带电物体的一端接地，在物体中就会产生位移电流，位移电流
的大小与物体的电容大小与电场强度有关，相当于对电容进行充放电。
把极化带电物体的一端接地，然后再把接地导线断开，物体就会带电。
再把带电物体放进验电器的法拉第罩中，验电器就会指示物体带电。
13

14. 1.6 雷电的产生—极化带电
总体而言，世界上的所有
物质都是属于电中性的， -U1
-
即其所带的正、负电荷代
数和等于0 。但物体处于
电场中时，电荷将要重新 E
进行分布，一端带正电，
另一端带负电，中间不带 +U1
+
+
+
+
电，这叫极化带电。极化
形象地说，这里极化带电的
带电物体中的电位梯度等
物体就好比空中的一朵云。
于电场强度。
14
12

15. 1.7 雷电的产生 — 分离带电
-U2
-
在外力或强电场
- -U1 被分离的带电物
力的作用下。极
体在电场中同样
化带电物体会产
也要被极化，使
生分离，带电物 E E 一端的电位要比
体被一分为二，
另一端高，其电
一个带正电，另 位梯度不变。
+U1
一个带负电。 +
+
+
+
+
+
+
+ +U2
+
+
+
+
形象地说，被分离
带电的两个物体就
好比空中被风吹散
的两朵云。
15

16. 1.8 雷电的产生 — 极化带电体的组合
-U1
-
- -U2
电场中的两个物 两个碰在一起的物
体碰在一起的时 +U1
体，电荷被重新分
+
+
+
+
布之后，两端的电
候。其电荷也要 E E
-U1 位，在数值上都比
重新分布。
-
原来高，但其电位
+U2 梯度还是不变。
+
+
+
+
+U1
+
+
+
+
形象地说，碰在一
起的两个物体,就
好比空中被风吹到
一起的两朵云。
16

17. 1.9 雷电的产生 — 带电体的组合
-U1
电场中两个带负电
-
- -U3 两个带正电（或负电）
（或正电）的物体互
的物体碰在一起，电
相碰在一起的时候。 荷被进行重新分布之
其电荷也要进行重新 E -U2 E 后，带电端的电位，
-
分布。 在数值上都比原来高，
两个带电物体互相碰 但其电位梯度还是不
在一起，相当于两个 变。
电容进行串联充放电。
形象地说，碰在一起
电容与电容器完全是 + +U1
的两个带电的物体,
两个概念，电容只有 E 就好比空中两朵带电
一个带电体，而电容 的云被风吹到一起。
+U3
器中有两个带电体。 +U2
+
+
17

18. 1.10 雷电的产生 — ESD放电
-
两个带异性电 打雷时，带电体之
荷的物体互相碰 间的电位差高达数亿
在一起，就会产 伏，地表面的电位差
生放电。 也有3万伏/米。
+ - 强大的ESD放电会
带电物体靠近
在供电线路中产生高
地面建筑物的时 - +
压脉冲，很容易对电
候，也会产生放
子设备造成损坏。
电，这种现象就
贵重电子设备一定
是雷电，它会对
要在电源输入电路中
人类造成很大危 安装ESD防护电路。
害。
+
18

19. 1.11 雷电对电器的危害-1
被雷电击坏的电视机
19

20. 1.12 雷电对电器的危害-2
被雷电击毁的LCD电视机开关电源
20

21. 1.13 雷电对电器的危害-3
被雷电击坏的电脑设备
21

22. 2. 电子线路中的电磁干扰
电磁干扰 EMI （Electromagnetic Interference），有两种：传导干扰和
辐射干扰。目前，产生电磁干扰的设备主要是开关电源。
。
传导干扰主要是电子设备产生的干扰信号是通过导线或公共电源线进行传
输，互相产生干扰。传导干扰又分共模干扰和差模干扰。
辐射干扰是指电子设备产生的干扰信号是通过带电导体产生的电、磁感应
产生的，通过电、磁感应可把某个电路网络中的干扰信号传给另一个电路
网络或电子设备。辐射干扰又分电场辐射和磁场辐射。
目前，传导干扰相对于辐射干扰来说，比较容易解决，只要增加电源输入
电路中EMC滤波器的节数，并适当调整每节滤波器的参数，基本上都能满
足要求；但对于辐射干扰，难度要大好多，主要原因是，开关电源的功率
密度和工作频率以及其它电路的工作频率都在不断提高，因此，辐射干扰
也越来越严重。
22

23. 2.1 电磁感应与EMI
电磁干扰 EMI EMI（Electro-magnetic Interference）分电场干扰
EI（Electro Interference）和磁场干扰 MI
EI MI（magnetic
Interference）两种。
电场和磁场分别是两种性质不同，可携带能量的介质，它们的分
布，充满整个宇宙空间，并且两者之间的能量可以互相转换；当
某处电、磁场的位能产生变化时，整个宇宙空间中的电、磁场都
需要重新进行分布，并以每秒钟30万公里的速度进行传播，因此，
电、磁干扰无处不在。
产生电场干扰的基本原因，是带电物体的电荷在重新进行分布，
即，分布电容在不断进行充放电；产生磁场干扰的基本原因，是
流过导体中的电流大小和方向在不断改变，即，分布电感产生的
磁通大小和方向在不断变化。
23

24. 2.2 电场感应与电容
A E
C0
U0 Q0 无穷远
E 带电物体在本质上相
当于一个充了电的电
C2
C1
容，在它的周围会产
生电场，并对周围的
导体感应带电。
U1 Q1 B
U2 Q2 C
24

25. 2.3 孤立导体的电容
在带电导体的周围空间会散发出电场，电场是
一种具有能量的物质。它在真空中以每秒30万
公里的速度向整个宇宙空间辐射。
设孤立导体带的电荷量为Q，电位为U，则电
荷量Q与电位U的关系可以写为：Q=CU
式中比例系数C是一个与电荷量和电位无关的
常数，它与导体的几何形状和大小有关，所以
把带电体当成一个电容看
人们把这个比例系数C称为孤立导体的电容。
待，就可以对电路进行定
电容的物理意义是导体每升高单位电位所需要
性分析和定量计算。
的电荷量。
孤立球导体的电容等于表面积除以半径，即： （对于无限远处）
地球的电容量为：7×10-4 (F)（对于无限远处），相对于电离层大约为1法拉。
25

26. 2.4 电容与电容器
带负电 带正电
U2 V U1
无限远 无限远
电容器就是两个 电容器的容量可以
个带电导体产生 C2 C1 看作是两个带电物
的电场，相互感 U1 体的互感系数。
应的结果。
V
U2
电容器可以看成是两个孤立导体的组合，其中一个带正电，另一个带负电。两个孤立
导体之间的电容为：
即，两个孤立导体之间的电容为： ——相当于两个电容串联
26

27. 2.5 电场感应干扰的等效电路
电场耦合示意图 电场耦合等效电路
想减小两电路之间电场相互干扰，最
好的方法是减小电路之间的耦合系数，
即减小两电路之间的耦合电容，也就
是尽量减小带电导体的面积，及远离
其它电路，或降低工作频率。
电场耦合与频率的关系
27

28. 2.6 电感线圈产生的电磁感应
e = dΦ/dt = NSdB/dt = Ldi/dt , e1 = M1di/dt , e2 = M2di/dt ,
Φ为磁通量，S为磁通面积，N为线圈匝数，B为磁感应密度，L0、
L1、L为各线圈的电感量、M1、M2为互感。
28

29. 2.7 载流体产生的磁场
当载流体中有电流流过时，在其周围就会产生磁场，交变磁场会使周围的电路产生
感应电动势，即，干扰。
当载流体的长度为四分之一波长的整数倍时，如果载流体为短路线或开路线，在载
流体中感应产生的位移电流将会产生谐振，并产生很强的辐射。信号在导体中传输
的速度与导体周围的介电常数与导磁率乘积的二分之一次方成反比，所以信号在导
体中传输的速度要比在真空中电磁波传播的速度慢很多。
29

30. 2.8 载流体产生的磁场干扰
被感应导体产生的磁力线 载流体产生的磁力线
载流体
A
B
US
被感应导体
感生电流 输入电流
两根相邻导体，当其中一根导体中有电流流过时，通过电磁感应，在另一导体中也
会产生感应电动势，无论被感应导体是否够成电流回路、开路或短路，都会在被感
应导体中产生位移电流，位移电流的方向正好与载流体中电流的方向相反（当两根
相邻导线相隔的距离很小时）；如果两根相邻导线相隔的距离正好等于半个波长，
则被感应导体中位移电流的方向正好与载流体中电流的方向相同。
30

31. 2.9 传输线产生的磁场
两根相邻导线，如果电流大小相等，电流方向相反，则它们产生的磁力线大部分可
以互相抵消，这种专门用来传输信号的双导线，一般称为传输线。
在PCB板中专门用于传送信号的传输线，一般被称为“微带”，典型的微带是在双
面PCB板的两面各排一跟导线，并且在两跟导线的周围均用地线进行屏蔽，但现在
大部分电子产品都没有严格这么做，主要是制造这种双面板微带很麻烦。
对于干扰比较严重或比较容易被干扰的电路，应尽量采用双线来传输信号，不要利
用公共地来传输信号，公共地电流越小干扰越小。
31

32. 2.10 传输线中的位移电流
iF iB iF
i F iB iF
dV
i=m ；m为电场迁移率
dx
当导体的长度与干扰信号的波长可比拟时，导体中的电流就不再是处处都相等，方向也不再都
是一致，这种电流称为位移电流，这种导体一般称为长线。
位移电流与回路电流完全不同，位移电流不会从电源的正极流回到电源的负极。严格地说，位
移电流是从电源的正极和负极同时移动的，某处的位移电流一般只在半个波长的距离内来回移
动，其余各处的位移电流都是通过电磁感应的方式，像波浪（电磁波）一样传输的。
当传输线的长度为无限长时，或负载阻抗与传输线的特征阻抗相等时，流过传输线的电流（或
电压）为行波；当传输线的长度为有限长时，或负载与传输线的特征阻抗不相等时，在传输线
中会产生驻波；当驻波严重时，在波峰处会产生非常高的电压，并产生很强的电磁干扰。
32

33. 2.11 传输线的阻抗
传输线的阻抗，在一个波长内每处都不一样，有些地方呈感性，有些地方呈容性，
但在离负载距离为四分之一波长的整数倍处，传输线的阻抗总是纯电阻：
L ；在偶数倍处，阻抗
在奇数倍处，阻抗 Z = Z=R
CR
上式中：L、C分别为传输线的分布电感和分布电容，R为负载电阻。
在进行线路设计的时候，尽量选用传输线的长度为四分之一波长的整数倍（最好偶
数倍），这样传输线才容易进行匹配。所谓传输线的特征阻抗，它只表示传输线所
有点处阻抗的平均值，因为传输线各点的阻抗都不一样。
33

34. 3. 传导干扰测量与对策
传导干扰分差模干扰DI和共模干扰 两种
传导干扰分差模干扰 和共模干扰CI两种
和共模干扰
火线 CI CI为共模干扰
为共模干扰
低 电
通 子 DI为差模干扰
为差模干扰
AC 滤 V3 DI 设
波
器 备 V1 = CI − DI
零线
CI V2 = CI + DI
V1 V2
R1 CI C1 V3 = DI
R2 R3 R4 R1、R2、R3、
、 、 、
R4为接地电阻，
为接地电阻，
为接地电阻
C1为分布电容。
为分布电容。
为分布电容
对传导干扰信号进行测量的原理
34

35. 3.1 传导干扰的测量方法
V1、V2、V3 最好用频谱仪或高频示波器来进行测量，也可以用高频毫伏表。调节金属
板的面积大小就可以改变分布电容C1的大小，从而改变共模测试电压的大小。
传导干扰的带宽一般为150KHz~30MHz，因此，低通滤波器的分布电容一定要小。
顺便指出，EMI测试是有标准的，自己测试只能算摸底，必须要经过权威部门的标准试
验室进行测试合格才能算数。
35

36. 3.1.1 传导干扰测量电路
为了降低50Hz交流信号对测量信号
的影响，可以在示波器的输入端接一
高通滤波器，或接一高频变压器。
在对电子设备进行传导干扰信号测量之前，最好先找一台已经认证合格的机器（同
一型号）进行测试，然后把测试结果记录下来，把测试结果与认证合格机器的数据
进行对比，并把测试结果进行规范化。所谓规范化，就是利用补差的方法，把测试
结果做成一条直线，以利于观测和对比。测量时要特别注意最大值和最小值。
36

37. 3.2 传导干扰详解
3.2.1 回路电流产生传导干扰
我们可以把每个回路都看成是一个感应线圈，或变压器线圈的初、次级，当
某个回路中有电流流过时，另外一个回路中就会产生感应电动势，从而产生
干扰。减少干扰的最有效方法就是尽量减少每个回路的有效面积，和降低干
扰脉冲电压或电流的变化率。显然图中的i3、i4是最大的干扰源。
37

38. 3.2.2 各电流回路之间产生串扰
M0
M1 RB1 M2 M3 D1 M4
U0
e1 e2
Ui M5 e3 e4
M7 M8
M6
C5 C6
e5
Q1
e6 e7 e8
C1 C2 C3 C4
R1 R2 R3
e1、e2、e3、e4 为磁场对回路感应产生的差模干扰信号。
e5、e6、e7、e8 为磁场对地回路感应产生的共模干扰信号。
共模信号的一端是整个线路板，另一端是大地。
线路板中的公共端不能算为接地，不要把公共端与外壳相接，除非机壳接大地，否
则，公共端与外壳相接，会增大辐射天线的有效面积，共模辐射干扰更严重。
降低辐射干扰的方法，一个是屏蔽，另一个是减小各个电流回路的面积（磁场干
扰），和带电导体的面积及长度（电场干扰）。
38

39. 3.2.3 变压器漏磁对回路产生电磁感应
在所有电磁感应干扰之中，变压器漏感产生的干扰是最严重的。如果把变压器的
漏感看成是变压器感应线圈的初级，则其它回路都可以看成是变压器的次级，因
此，在变压器周围的回路中，都会被感应产生干扰信号。减少干扰的方法，一方
面是对变压器进行磁屏蔽，另一方面是尽量减少每个电流回路的有效面积。
39

40. 3.3 电磁辐射干扰的产生
脉冲波形很容易对其它回路激励产生高频
振荡，因为，脉冲波形含有非常丰富的高次
谐波，而高频振荡又会产生很强的电磁辐射。
辐射干扰一般是通过电、磁感应的形式在
空间进行传播的，辐射源一般都是载流体，
或电流通过回路产生的电磁场。另外，位移
电流也会产生很强的电磁辐射，特别是产生
位移电流导体的长度正好等于半个波长（或
半个波长的整数倍）的时候，回路就会产生
谐振（并联谐振或串联谐振），其振幅要比
感应电压高很多，因为谐振回路Q值一般都
很高。
位移电流导体在导通中产生辐射最强的是
电源线，以及其它插排线。
40

41. 3.3.1 各种干扰脉冲波形的频谱
τr为脉冲上升时间（幅度从 升到90%的时间），τr越短频谱越宽。
为脉冲上升时间（幅度从10%升到
升到 的时间）， 越短频谱越宽。
的时间
任何一个非正弦波都可以看成是非常多个上升和下降速率不同的信号（或不同
频率的正弦波）相互迭加而成，电磁辐射强度与电压或电流的变化速率成正比。
电磁辐射强度与电压或电流的变化速率成正比。
电磁辐射强度与电压或电流的变化速率成正比
41

42. 3.3.2 电磁辐射干扰原理
高频辐射主要是共模信号，共模天
线的一极是整个线路板，另一极是连
接电缆中的地线。要减小辐射干扰最
有效的方法是对整个线路板进行屏蔽，
并且外壳接地。
电场辐射干扰主要是高频信号对导
体或引线进行来回充放电，应该尽量
减小导体的长度和表面积。
磁场干扰的原因是在导体或回路中
有高频电流流过，应该尽量减小线路
板中电流回路的长度和面积。
频率越高，电磁辐射干扰就越严重；
当载流体的长度可以与信号的波长比
拟时，干扰信号辐射将增强。
当载流体的长度正好等于干扰信号四分之一波长的整数倍的时候，干扰信号
会在电路中产生谐振，这时辐射干扰最强，这种情况应尽量避免。
42

43. 共模电流辐射产生的结果
比差模电流辐射更严重
从扁平馈线中抽取两根相邻的导线做实验，线长1米，分别给两导
线加以共模和差模电流，在离导线对3米处按GB 9254规定测量骚
扰场强。
实验表明如果该处场强要达到B类设备的限值（30～230 MHz时为
40 dBµV/m）,则差模电流要求为20 mA，而共模电流只要8µA，两
者相差2500倍。
间接证明：两根相邻的导线对差模信号产生辐射有很强的抑制作用
，因为两个导线中电流产生的磁力线互相可以抵消，如果采用双绞
线抗干扰效果更佳，如在双绞线外面再加一层屏蔽线，抗干扰效果
最好。
43

44. 3.3.3 电流回路辐射详解
S1为整流输出滤波回路，C1为储能滤波电容，i1为回路高频电流，此电流在所有的电流回
路中最大，其产生的磁场干扰也最严重，应尽量减小S1的面积。
在S2回路中，基本上没有高频回路电流，∆I2主要是电源纹波电流，高频成分相对很小，所
以S2的面积大小基本上不需要考虑。
C2为储能滤波电容，专门为负载R1提供能量，R1、R2不是单纯的负载电阻，而是高频电
路负载，高频电流i3基本上靠C2提供，C2的位置相对来说非常重要，它的连接位置应该考虑
使S3的面积最小，S3中还有一个∆I3，它主要是电源纹波电流，也有少量高频电流成份。
在S4回路中，基本上也没有高频回路电流，∆I4主要为电源纹波电流，高频成分相对很小，
所以S4的面积大小基本上也不需要考虑。
S5回路的情况基本上与S3回路相同，i5的电流回路面积也应要尽量的小。
44

45. 3.4 减小EMI产生的对策
3.4.1用铜箔对变压器进行屏蔽
对变压器屏蔽，主要是减小变压器漏感磁通对周围电路产生电磁感应干扰，以及对
外产生电磁辐射干扰。
从原理上来说，非导磁材料对漏磁通是起不到直接屏蔽作用的，但铜箔是良导体，
交变漏磁通穿过铜箔的时候会产生涡流，而涡流产生的磁场方向正好与漏磁通的方
向相反，部分漏磁通就可以被抵消，因此，铜箔对磁通也可以起到很好的屏蔽作用。
45

46. 3.4.2 减小电流回路的面积
磁场辐射干扰主要是流过高频电流回路产生的磁通窜到接收回路中产生
的，因此，要尽量减小流过高频电流回路的面积和接收回路的面积。
dΦ1 S1dB1 dΦ 2 S 2 dB2
e1 = = e2 = =
dt dt dt dt
式中：e1、 Φ1、S1、B1分别为辐射电流回路中产生的电动势、磁通、面积、磁通密度；
e2、 Φ2、S2、B2分别为辐射电流回路中产生的电动势、磁通、面积、磁通密度。
46

47. 3.4.3 不要采用多个回路串联供电
右上图的几个电流回路，互相串联
在一起进行供电，很容易产生电流
共模干扰，特别是在高频放大电路
中，会产生高频噪音。
电流共模干扰的原因是： ∆I2 = ∆I3+ ∆I4+ ∆I5
右下图中各个电流回路，互相分
开，采用并联供电，每个电流回
路都是独立的，不会产生电流共
模干扰。
47

48. 3.4.4 正确使用传输线
图A
图B
图A传输线的长度正好是四分之一波长的整数倍，此种传输线可等效成纯电阻；当负
载完全与信号源的阻抗匹配时，负载可以得到最大功率，并且信号不会失真，这种传输
线传输信号的效率最高。
图B传输线在拐弯处会产生信号漏辐射，或容易被其它信号干扰，与图A传输线相对
稍微差一点，但勉强也可以用。设计时，如无法实现A，也可以凑合B。
48

49. 三种传输线比较
第一种传输线，长度不等
于四分之一的整数倍，阻抗
（1） 与信号源很难匹配，工作效
率会降低。
第二种传输线，两导体中
的电流大小不相等，两导体
产生的电磁场不能互相抵消，
（2）
容易产生电磁干扰。
第三种传输线，在负载两
端得到的信号存在延时相位
差，信号迭加后会造成很大
（3） 的损失。并且两导体的电流
大小不相等，两导体产生的
第三种传输线，如果两线的长度相差四分之一波长， 电磁场不能互相抵消，容易
信号迭加后，会损失50%；如果两线的长度相差二分 产生电磁干扰，
之一波长，信号迭加后，几乎会损失100%。
49

50. 4. EMI辐射测量原理
共模辐射是EMI
辐射中最严重的
一种干扰。
此图为共模辐射
测量工作原理图，
C1、C2为分布
电容，V1为频谱
仪或其它仪表。
电子设备产生电磁辐射的时候，在其周边就会存在交变电磁场，位于交变电磁场中的导体会产生
感应电动势，并在导体中产生位移电流，如何把感应电动势或位移电流取出来进行分析，这是一
个测量方法问题。上图采用单极子天线来对共模辐射信号进行测量（与GTEM小室，又称吉赫芝
横电磁波室，工作原理有点相似）；对差模辐射信号进行测量一般都采用双极子天线。双极子天
线既可测量差模辐射，也可测量共模辐射。
50

51. 4.1 自制EMI辐射测试天线
先用自制天线对
辐射干扰进行测
试，两者可以进
行对比试验，待
对试验结果认为
满意后再送正式
测试，可大大降
低开发成本。自
制天线为电、磁
复合天线。磁场
电线主要接收信
号频率的低端，
电场天线主要接
收频率的高端。
标准试验室中的测试天线 自制EMI辐射测试天线
自制 辐射测试天线
（此天线为电、磁组合天线，
标准测试应该在电磁暗室中进行 可用双面PCB板制作）
51

52. 4.2 自制带检波器的EMI辐射测试天线
C1、C2为贴片高频电容，D1、D2为微波二
极管，V为数字电压表，或微安电流表。
自制测试天线，最好根据不同的测试频
率，做成一个系列，每个天线大约可以
接收F0+-20%的频率范围。EMI辐射的频
率范围标准要求为：30~1000MHz，但在
实际测试过程中，只需测试：30~300MHz
即可，因为一般开关电源的最高辐射频
率到不了300Mz。
在对电子设备进行辐射干扰信号测量之前，最好先找一台已经认证合格的机器
（同一型号）进行测试，然后把测试结果记录下来，把测试结果与认证合格机器的
数据进行对比，并把测试结果进行规范化。
52

53. 5. 静电的产生
物体A
物体 物体A
物体
接点电位差
物体B
物体 物体B
物体
两种不同性质的物体接触在一起，在其接触的界面处就会产生接点电位差，并产生势垒电荷；
当把接触在一起的两种物体进行分离时，两个物体都会带电，这种带电称为静电。
带电物体还可以通过电场的作用对其周边的物体产生感应，使周边物体产生极化带电；在电
场不断产生变化的时候，如果极化带电变化的速度跟不上电场变化的速度，物体就会产生分离
带电，即：一个带正电，另一个带负电。很多高分子绝缘材料，其极化带电变化的速度比较慢，
所以很容易感应带电，因此，当两种不同性质的高分子绝缘体互相接触后再分离，就会带电，
经过多次互相摩擦（位移）后，感应产生的电荷就会积累得越来越多，即电位很高。
53

54. 5.1 静电（ ESD ）防护测试方法
ESD （ Electro-Static
discharge 静电释放）防护试
验主要是模拟人体带电（静电）
对电子产品的影响或损伤。在
天气比较干燥的冬天，通过皮
鞋与地毯摩擦，或不同材料的
衣服互相摩擦，人体一般很容
易就会带上2000多伏的静电电
压，电压最高可达15KV，如
果人体带上这个电压之后，再
触摸一些敏感电子设备，这些
电子设备中的敏感元器件就很
容易击穿损坏。
54

55. 5.2 静电（ ESD ）防护测试原理
右图为对电子设备进行
ESD防护试验设备的工作原
理图，图中150P电容被充上
2000V以上的电压（模仿人
体带电），然后通过探头与
被测设备接触（被测设备的
输入、输出接口），或通过
分布电容（被测设备与地之
间的电容、探头与被测设备
的电容）对设备中的敏感元
器件进行静电感应，检测设
备对静电的承受能力。
55

56. 5.3 ESD 防护测试详解
ESD测试电压对不同性能的产品要求
各 不 相 同 ， 一 般 要 求 分 为 ： 2000V 、
4000V、6000V、8000V等几个层次。
但有些特殊产品要求高达30KV。
图中A为静电敏感器件，对ESD防护最可靠的是进行静电屏蔽，在探头与敏感器
件之间加一屏蔽片（导电材料），屏蔽片不一定要接地，因为屏蔽片与大地之间有
分布电容，它会对探头的输出电压进行分压，使加到敏感元件的感应电压降低。对
输入、输出接口保护，可在接口与电路的连接间串一个RC网络（如π型滤波器），
就很容易把静电吸收，如接一个限幅二极管（或TVC器件）效果更好。
56

57. 5.4 重要提示：
人体从户外走进户内，立刻就会带上50～100伏的静电；
我们穿的衣服互相摩擦时，也很容易产生高压静电；电风
扇或空调吹出的气体与周边物体摩擦时，也会产生高压静
电。这些情况对于IC而言是一种极大的威胁，在操作过程
中，不要随便用手或物体触及IC。
当人体需要触及IC时，人体最好要穿上防静电的衣服，
并且衣服要通过导线与大地连接；或者带上防静电的手套，
手套也要通过导线与大地连接。平时IC必须要装在屏蔽合
中进行保管。
57

58. EMC滤波电路设计
6. EMC滤波电路设计
V1 = CI − DI
V2 = CI + DI
V3 = DI
CI为共模干扰
DI为差模干扰
C1 、 C2 为 Y 电 容 ，
C3、 C4为X类电容。
L1 为 共 模 干 扰 抑 制
电 感 ， L2 为 差 模 抑
制电感。
EMC滤波电路有两个功能，一个是降低本设备（主要是开关电源）产生的
干扰信号污染供电线路，另一个是防止线路中其它电器产生的干扰信号对本
设备产生干扰。
一般的EMC滤波电路不具有防浪涌和防雷击的功能，贵重电子设备最好要
安装雷电保护电路 。
58

59. 6.1 什么是热地、冷地、浮地、接地
+
+
+
+
+U
- -U
符号： 接地 热地 冷地 热地和冷地与接地毫无关系
不要把干扰信号引到热地和冷地上，那样干扰将更严重；热地带电，不要触摸。
浮地的定义是：其电位与大地完全相同，但在线路上没有与大地连接。
浮地现在还没有标准符号，建议用符号 表示。
59

60. 6.2 对差模抑制电路参数的选择
对差模干扰信号进行抑制主要考虑频率的低端，频率越低要求滤波电容
和滤波电感的数值就越大，在频率一定的基础上，到底是增大电感量还
是增大电容量，这个要综合来考虑。上图中，是选择不同电容和电感时
对应不同的截止频率。
60

61. 6.3 对共模抑制电路参数的选择
对共模干扰信号进行抑制主要考虑频率的高端，因为频率越高电容的阻抗
就越小，干扰信号就很容易通过；而电感正好相反，频率越高阻抗越大，
干扰信号就越难通过。上图中，是选择不同电感时对应容易出现共模干扰
的频率。
61

62. 6.4 滤波电容和滤波电感的频率特性
聚酯膜电容的等效电路及阻抗 EMC滤波电感的等效电路及阻抗
图中，LS为电容器的分布电感，ESR为电容器的内阻，IR为电容器的绝缘电
阻；RS为电感的直流电阻，CS为电感的分布电容；F为频率，Fc为截止频率。
62

63. 6.5 电容器的截止频率
10 4
mΩ
103
0.4
1.0
102
7n
nF
F
3.3
nF
10
nF
33
nF
0.1
0u
0.4
F
7u
101 5
F
10 106 107 108
63

64. 6.6 EMC滤波器设计技术要点
由于聚酯膜电容器（X电容器）存在分布电感，以及EMC滤波电
感存在分布电容，电容器中的分布电感会与电容产生串联谐振，
而电感器中的分布电容会与电感产生并联谐振，因此，电容器和
电感器都分别存在一个谐振频率，这个谐振频率正好就是电容器
和电感器的工作截止频率Fc。由此可知，EMC滤波器最好选用
多个不同数值的电感和容量不同的电容器组成π滤波，才能避免
两个电容器或两个电感器的两个工作截止频率不会重叠，这样才
能使由电容器和电感器组成的EMC滤波器对不同频率的EMI干扰
信号均有效。
64

65. 7. 浪涌电压与雷电的防护
如果电网中有人使用大功率电动设备或大功率变压器设备时，当电动设备
突然关断的瞬间，励磁电感L中存储的磁能将会转化成高压反电动势，并通
过打火的形式加到线路上（开关离开瞬间会产生打火） ，虽然高压反电动势
的作用时间很短，但瞬间高压很容易把电子设备中的电子器件打坏。
65

66. 7.1 浪涌电压的防护
当电动设备突然关断的瞬间，励磁电感L产生的反电动势，通过打火的形式加到线
路上，如果电容器C1吸收电感L释放的能量后，其两端电压不高于开关电源输入电压
的最高电压额定值，那么其防护就是有效的。C1的选取由下面两关系式求得：
1 2 1
电感存储的能量为： WL = LI m 电容器存储的能量为：WC = 2
CU c
2 2
理论上C1的容量选得越大越安全，但从经济方面考虑，C1一般取0.2～1uF比较合
适。C4和C5是防止整流二极管被浪涌电压击穿的旁路电容，一般取0.01uF。
66

67. 7.2 输电设备的防雷措施
在容易受雷击的设备上方安装避雷地线或避雷针，设备的外壳通过防护地线
与大地连接，这是最基本的雷电防护方法。但对于一些耐压比较低的电子设
备还需要进一步采取雷电防护措施。
避雷地线与防护地不能接在一起，因为雷击时避雷地会产生非常大的电流，而防护地
一般是没有电流通过的。
67

68. 7.3 电子设备遭受雷击的原理
C4
共模电流
带电云朵可
雷电
火线 等效为一个
开 负 充满电的电
C1
容C0；C1、
共模电流
发电机 中线 关 载
电 电 C2为Y电容
C2 路 路 器（共模抑
C0 制电容）C3、
地 C5 C4、C5、
C3 C6
线
R1
C6为分布电
容；R1为大
接地 大地 接地 大地 地等效电阻。
设备遭雷击，相当于一朵带电的云落到了电源线路上，带电的云就相当于一个带高压
电的电容C0，电容C0的一端接大地，另一端分别接火线和中线，雷电在火线与中线
中产生的电流主要为共模浪涌电流，同时也会产生差模电流。
如果电子设备没有雷电防护，电子设备中的输入电路一般都会被雷击损坏，不是受共
模电压击穿损坏，就是受差模电压击穿损坏。
68

69. 7.4 电子设备遭受雷击,会产生浪涌电流
雷击产生的
共模电流非
常大，但其
同时也会产
生差摸电 流 ，
差模电流对
电子设备的
危害比共模
电流还要大 。
把带电的云分别等效成与火线和中线连接的电容C01和C02，由于C01和C02放电的时间常
数不一样，在线路中会产生差模电流，差模电流相对于共模电流要小非常多，但差模电压
（或电流）通过与输入电压（或电流）迭加，更容易对电子设备输入电路的器件造成损坏。
差模电压容易对电子设备输入电路的器件造成损坏，但共模电压对电子设备所有的电路都
会造成损坏。
69

70. 7.5 共模电压对电路的损害
雷击时，在电子设备电源的输入端将会产生一个很高的共模电压会，首先受
冲击的一般都是开关电源，瞬间共模高压如果不把电源开关管击穿也很容易
经过变压器初、次级线圈的分布电容C3、C4耦合，在变压器次级电路中就会
产生上千伏的共模脉冲信号，经整流滤波电路输出为Ue，此电压一个幅度为
数百伏的尖峰脉冲，如果电源负载为MOS电路，Ue将通过分布电容C5对
MOS电路M1、M2充电，这很容易把M1、M2 击穿。
70

71. 7.6 雷电保护原理
在电子设备电源线的输入端直接在PCB板上排一个ESD放电装置，比安装什么防雷器件都重要，
通过放电装置可以使输入电压降到6000V以下，然后再通过限流电感与Y电容以及X电容进一步
降压，基本上就可以避免雷电的损害。
理论上限流电感以及Y电容的数值越大，对共模浪涌电流抑制越有效，但Y电容也不能过大， Y
电容过大检测设备漏电指标不合格。只要不考虑成本，X电容应该取得大一些为好， X电容越大
对差模电压抑制越好。
71

72. 7.2 带防雷功能的EMC滤波电路
在电源线输入端的PCB板上排一个雷电放电装置（一般爬电距离为6mm），可以对
1万伏以上的共模脉冲电压放电，再经限流电感L0和C1、C2进一步印制，可使共模
脉冲电压降低到1000伏以下。 L0不但可以抑制雷电，同时与C3、L1、C4、L2组
合还可以抑制浪涌电压。 C1、C2为Y1类电容，要作用是抑制共模干扰，两个电容
之和不能超过4700pF
开关电源的公共端（冷地）不能当地与外壳连接，否则高压将对电路中的整流器件
和开关管击穿，并且EMC滤波作用将降低。
72

73. 7.3 对变压器初次级加静电屏蔽
雷电产生的瞬间静电高压脉冲会很容易对MOS电路造成损坏。在变压器初、次级线圈
之间加静电屏蔽抑制是静电高压脉冲保护MOS电路的最好方法，屏蔽金属膜最好接大地，
或接初级公共地（热地），如果变压器的初、次级线圈之间无法加屏蔽，次好的方法也
要选着紧靠初级线圈的次级线圈的引脚接冷地。
在前后级供电的连接线路中加磁环，也是对ESD防护的好方法，磁环相当于一个电感，
它可以降低ESD的放电速度，通过分压可以大大降低M1、M2电容（IC器件的输入端电
容）的电压幅度，使MOS电路得以保护。
73

74. 谢谢各位
陶显芳：
陶显芳：taoxianfang@gmail.com